Herkömmlich sind in einem Schaltschrank verbaute Komponenten der Elektronik oder Elektrotechnik für eine maximale Betriebstemperatur von +50 °C ausgelegt. Wie lange die Komponenten jedoch tatsächlich genutzt werden können, hängt stark von der Temperatur ab – eine um 10 °C niedrigere Temperatur verdoppelt die Lebensdauer. Daher wird in aller Regel eine Temperatur von +35 °C im Inneren des Schaltschranks gewählt – als Idealtemperatur, was die Lebensdauer der Komponenten und den Aufwand für die Schaltschrank-Klimatisierung anbelangt.

Passiv statt aktiv

Für die Abführung der Verlustleistung beziehungsweise der Wärme aus dem Schaltschrank gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: die Verwendung eines Mediums (Luft oder Kühlwasser), das die Wärme aus dem Schaltschrank transportiert, oder die konvektive Übertragung der Wärme über die Oberfläche des Schaltschranks. Bei der ersten Möglichkeit, der aktiven Kühlung, sind zusätzliche Geräte notwendig – zum Beispiel Filterlüfter, Kühlgeräte oder Luft-Wasser-Wärmetauscher. Im zweiten Fall, der passiven Entwärmung, erfolgt der Wärmetransport ausschließlich über die Schaltschrankwände. Da hier keine zusätzlichen Geräte nötig sind, sind die Kosten niedriger. Gleichzeitig sparen Anwender im Betrieb sowohl bei den Energie- als auch bei den Wartungskosten. Zudem ist die Anlage besser vor Staub und Feuchtigkeit geschützt, da keine zusätzlichen Öffnungen in den Schaltschrank-Wänden nötig sind. Auch der EMV-Schutz eines komplett geschlossenen Schaltschranks gestaltet sich einfacher. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass eine Kondensatbildung, wie sie bei der aktiven Kühlung vorkommen kann, ausgeschlossen ist. Und nicht zuletzt ist die Belastung der Komponenten durch Temperaturwechsel geringer als bei der aktiven Klimatisierung, da sich bei gleichbleibender Verlustleistung eine konstante Temperatur im Schaltschrank einstellt. 

Der Nutzen größerer Oberfläche

Die passive Entwärmung hat jedoch Grenzen, die im physikalischen Prinzip begründet sind. So funktioniert diese Methode umso besser, je niedriger die Umgebungstemperatur ist. Entscheidend für die Entwärmung sind daneben der Wärmeübertragungskoeffizient des Schaltschrank-Mate-rials und die effektive Schaltschrank-Oberfläche.

Im Beispiel beträgt die Schaltschrank-Innentemperatur +43,9 °C und liegt damit etwas über dem empfohlenen Temperaturbereich von +35 bis +40 °C. Eine Entwärmung des Schrankes über eine aktive Klimatisierung ist somit notwendig. 

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In der DIN EN 0660-600-1 Beiblatt 2/IEC TR 60890 ist angegeben, wie diese berechnet wird. Die effektive Schaltschrank-Oberfläche ist bei gegebener Schaltschrank-Größe maximal, wenn der Schaltschrank einzeln und frei im Raum steht. Durch Anreihung mehrerer Schaltschränke, Wandanbau oder Abdeckung der Dachflächen verringert sie sich. Sind die Verlustleistung der Komponenten im Schaltschrank und die Umgebungstemperatur bekannt, lässt sich die mittlere Temperatur im Inneren des Schaltschranks einfach berechnen. 

Auch wenn die berechnete Temperatur über der gewünschten Schaltschrank-Innentemperatur liegt, ist nicht unbedingt eine aktive Kühlung notwendig – wird etwa ein etwas größerer Schaltschrank verwendet, kann dies ausreichen, um doch mit passiver Entwärmung auszukommen. Insbesondere bei kleinen Schaltschränken kann eine geringfügige Vergrößerung der Schrankoberfläche zu einer deutlichen Absenkung der maximalen Schaltschrank-Innentemperatur führen. Dies sollte bei der Dimensionierung eines Steuerungs- und Schaltschranks mit geringer Wärmelast berücksichtigt werden.

Eine weitere Möglichkeit, ohne aktive Klimatisierungskomponente auszukommen, besteht darin, Komponenten mit besonders hoher Verlustleistung wie etwa Bremswiderstände außerhalb des Schaltschranks zu installieren. Mit geschickter Planung einer Steuerungs- und Schaltanlage lassen sich so Kosten für die Entwärmung sparen. Entscheidend dabei sind die Größe der Schaltschränke, ihre Aufstellung und die Positionierung der Komponenten mit der größten Verlustleistung. Auch das Gehäusematerial beeinflusst die Schaltschrank-Klimatisierung: Werden im Maschinenbau traditionell überwiegend Gehäuse aus lackiertem Stahlblech oder Edelstahl mit einem Wärmeübertragungskoeffizienten von circa k = 5,5 W/(m^2 K) eingesetzt, ändert sich der k-Wert durch die Konstruktion etwa bei doppelwandigen oder isolierten Gehäusen für andere Branchen oder für Outdoor-Anwendungen.

Autor: Heiko Holighaus ist Hauptabteilungsleiter Forschung & Entwicklung bei Rittal in Herborn.